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文檔簡介
CHINAUNIVERSETVOFPETROLEUM中國石油大學(xué)(北京)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱: 基于聲卡的數(shù)據(jù)采集 班級:過程io-4班學(xué)號:生姓名: 夏亞康成績: 實(shí)驗(yàn)日期:2013實(shí)驗(yàn)日期:2013年1月4日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握Labview軟件的基本使用方法;2、 掌握利用Labview功能模板進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì);3、 了解聲卡的工作原理4、 學(xué)習(xí)用Labview進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基本過程。5、 利用軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一臺虛擬數(shù)字錄音機(jī),完成音頻數(shù)據(jù)采集、顯示、保存、處理、回放的功能。通過練習(xí)使用Labview設(shè)計(jì)數(shù)字錄音機(jī)。二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1.計(jì)算機(jī)1臺、MIC1只、耳機(jī)1只2.編程環(huán)境WindowsXP操作系統(tǒng)3.Labview實(shí)驗(yàn)軟件1套二、實(shí)驗(yàn)說明:1、 聲卡的工作特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采取的方法是在LabVIEW虛擬儀器環(huán)境中利用Windows自帶聲卡采集語音信號。從數(shù)據(jù)采集的角度來看,PC聲卡本身就成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能,不僅價(jià)格低廉,而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用,軟件特別是驅(qū)動程序升級方便。如果測量對象的頻率在音頻范圍(20Hz-20kHz)內(nèi),而且對采樣頻率等指標(biāo)又沒有太高要求,就可以考慮使用聲卡。而語音音頻范圍一般在5kHz以內(nèi),滿足聲卡采集的要求。在采集語音信號前,要檢查聲卡的設(shè)置,保證已配置的輸入功能(錄音功能)不處于靜音狀態(tài)。主機(jī)通過總線將數(shù)字化的聲音信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A),將數(shù)字信號變成模擬的音頻信號同時(shí),又可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將麥克風(fēng)或CD的輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理。衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括復(fù)音數(shù)量、采樣頻率、采樣位數(shù)(即量化精度)、聲道數(shù)、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等。復(fù)音數(shù)量代表聲卡能夠同時(shí)發(fā)出多少種聲音,復(fù)音數(shù)越大,音色就越好,播放聲音時(shí)可以聽到的聲部越多、越細(xì)膩;采樣頻率是每秒采集聲音樣本的數(shù)量,采樣頻率越高,記錄的聲音波形越準(zhǔn)確,保真度就越高,但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大,要求的存儲空間也越多。采樣位數(shù)是指將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進(jìn)制位數(shù)(bit),位數(shù)越高,在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多,記錄的音質(zhì)也就越高,例如16位聲卡把音頻信寫的大小分為216=65536個(gè)量化等級來實(shí)施上述轉(zhuǎn)換。
常用聲卡可對音頻信號實(shí)現(xiàn)雙聲道16位、高保真的數(shù)據(jù)采集,最高采樣率可達(dá)HZ,具有較高的采樣頻率與精度。對于許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程測量:來說,聲卡對信號的量化精度和采樣率都是足夠高的,甚至優(yōu)于一些低檔的數(shù)據(jù)采集卡性能。2、 LabVIEW采集語音信號LabVIEW中提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù).由于使用Windows底層函數(shù)直接與聲卡驅(qū)動程序打交道,因而封裝層次低,速度快,而且可以訪問、采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)抓,具有很大的靈活性,能夠滿足實(shí)時(shí)不間斷采集的需要。在LabVIEW中,利用Windows聲卡對語音信寫進(jìn)行采樣,SIConfig設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的硬件參數(shù),將device設(shè)置為0,采樣位數(shù)為單聲道16位,采樣頻率11025Hz,緩沖區(qū)長度為默認(rèn)值8192字節(jié);SIStart通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù);SIRead將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中,一次可讀取緩沖區(qū)長度的一半((4096字節(jié));SIStop通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù);SIClear完成最終的清理工作,釋放請求的一系列系統(tǒng)資源,Soundwave顯示語音波形、WhileLoop有兩個(gè)語句,第一個(gè)語句"WaitforRecordButton"是在程序運(yùn)行后通知開始錄入語音數(shù)據(jù),第二個(gè)語句主要是為了能夠連續(xù)的讀入語音數(shù)據(jù),在此語句中,“Casestructure"在True情況下執(zhí)行停止錄音(False為默認(rèn)值),移位寄存器是為了讀出數(shù)據(jù)的連續(xù)性,循環(huán)利用120ms延時(shí)以降低循環(huán)的頻度,減少CPU負(fù)擔(dān)。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序流程是3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序流程是選擇存儲文件開始采集并F存儲一」圖1系統(tǒng)流程圖四、實(shí)驗(yàn)步驟及設(shè)計(jì)內(nèi)容(一)、實(shí)現(xiàn)聲卡聲音信號的采集并保存利用【聲音】函數(shù)選板的【輸入】和【文件】子選板可以編程實(shí)現(xiàn)對聲音信號的采集并保存。操作步驟:1、 進(jìn)入LabVIEW的啟動界面后,執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令,創(chuàng)建一個(gè)新的VI。2、 切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下,放置一個(gè)“波形圖”控件,用于顯示采集到的聲音,并設(shè)置波形圖控件的標(biāo)簽為“聲音信號波形”,再放置一個(gè)“確定按鈕”和一個(gè)“停止按鈕”,并分別更名為“聲音采集”和“停止采集”,用于啟動和停止聲音采集。3、 切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下,在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“打開聲音文件”函數(shù)節(jié)點(diǎn),并將其下拉選項(xiàng)的值設(shè)為“寫入”。4、 在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“配置聲音輸入”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“讀取聲音輸入”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“寫入聲音文件”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“聲音輸入清零”節(jié)點(diǎn),一個(gè)“關(guān)閉聲音文件”節(jié)點(diǎn),兩個(gè)“While循環(huán)”方框節(jié)點(diǎn)和一個(gè)“條件結(jié)構(gòu)”節(jié)點(diǎn),并按錯(cuò)誤!未找到引用源。連線。5、 切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下,調(diào)整各個(gè)控件的位置。6、 設(shè)置“路徑”輸入框?yàn)椤癳:\”。單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕,點(diǎn)擊【聲音采集】按鈕,對著麥克風(fēng)放一段音樂,即可將聲音數(shù)據(jù)寫入到指定的文件“e:\”中去。7、 在波形圖控件中可以查看聲音信號的波形,如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。8、 單擊【停止采集】按鈕,結(jié)束程序運(yùn)行,可在E盤根目錄下看到聲音文件“”。
圖2聲卡聲音信息采集及保存實(shí)驗(yàn)原理圖路徑聲咅格式采樣率tS/s)詰謂喩出狀態(tài)代瑪聲音信號険形旳間圖2聲卡聲音信息采集及保存實(shí)驗(yàn)原理圖路徑聲咅格式采樣率tS/s)詰謂喩出狀態(tài)代瑪聲音信號険形旳間圖3聲卡聲音信息采集及保存程序運(yùn)行圖(二)實(shí)現(xiàn)對保存的聲音信號進(jìn)行讀取、播放并進(jìn)行頻譜分析利用【聲音】函數(shù)選板的【輸出】和【文件】子選板,加上【信號分析】選板的“頻譜測量”節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對保存的聲音信號進(jìn)行讀取、播放并進(jìn)行頻譜分析。操作步驟:1、進(jìn)入LabVIEW的啟動界面后,執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令,創(chuàng)建一個(gè)新的VI。2、 切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下,放置一個(gè)“確定按鈕”,并更名為“分析播放”。3、 切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下,在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“打開聲音文件”函數(shù)節(jié)點(diǎn),并將其下拉選項(xiàng)的值設(shè)為“讀取”。4、 在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“讀取聲音文件”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“關(guān)閉聲音文件”節(jié)點(diǎn)一個(gè)“播放波形”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“條件結(jié)構(gòu)”節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)“頻譜測量”節(jié)點(diǎn),并配置兩個(gè)“頻譜測量”節(jié)點(diǎn)使其分別測量“幅度(峰值)”和“功率譜”。5、按錯(cuò)誤!未找到引用源。連線。6、 切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下,調(diào)整各個(gè)控件的位置。7、設(shè)置“路徑”輸入框?yàn)椤癳:\”。單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕,點(diǎn)擊【分析播放】按鈕,系統(tǒng)會讀取聲音文件“e:\”,可以聽到來自電腦揚(yáng)聲器的聲音。8、 在波形圖控件中可以查看聲音信號的頻譜波形和功率譜波形,如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。00畫0K功率諳FFT-(鰹值)頻若測星卜 00畫0K功率諳FFT-(鰹值)頻若測星卜 信WFFT-(峰值)相位頻著測量2倍號功率普| 撰放注形I 卜 設(shè)備I 休 數(shù)據(jù)■吃崇理E或理磁理■:英:垃理W圖4聲音信號讀取、播放、頻譜分析實(shí)驗(yàn)原理圖圖5聲音信號讀取、播放、頻譜分析程序運(yùn)行圖(三)、實(shí)現(xiàn)對保存的聲音信息進(jìn)行濾波處理后再播放和進(jìn)行頻譜分析要實(shí)現(xiàn)對保存的聲音信息進(jìn)行濾波處理后再播放和進(jìn)行頻譜分析,只要在(二)的基礎(chǔ)上添加【信號分析】選板的“濾波器”節(jié)點(diǎn)就可以完成,另外為了加強(qiáng)系統(tǒng)的功能,本錄音機(jī)實(shí)現(xiàn)了既可以對原信號進(jìn)行頻譜分析,也可以對處理后的信號進(jìn)行頻譜分析。操作步驟:1、 打開步驟(二)的VI文件,切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下,添加一個(gè)“垂直搖桿開關(guān)”,并更名為“播放前是否濾波”。2、 切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下,在設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“濾波器”節(jié)點(diǎn),并設(shè)置其濾波器類型為“帶通”,再放置一個(gè)“條件結(jié)構(gòu)”節(jié)點(diǎn),并按照錯(cuò)誤!未找到引用源。連線。3、 切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下,調(diào)整各個(gè)控件的位置。4、 設(shè)置“路徑”輸入框?yàn)椤癊:\”。單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕,將【播放前是否濾波】開關(guān)打開,點(diǎn)擊【分析播放】按鈕,系統(tǒng)會讀取聲音文件“E:\”,可以聽到來自電腦揚(yáng)聲器的聲音,這聲音是經(jīng)過了濾波后的聲音。5、 在波形圖控件中可以查看進(jìn)行濾波處理后的聲音信號的頻譜波形和功率譜波形,如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。
迥倍iDLU車仝迥倍iDLU車仝I?31圖6對聲音進(jìn)行濾波、頻譜分析實(shí)驗(yàn)原理圖謔獨(dú)CFFT- (臨值>:) ^^9?5=1=工古*倍 浦鴻謔獨(dú)CFFT- (臨值>:) ^^9?5=1=工古*倍 浦鴻Bb率譜:| ^^9圖7聲音信號濾波、頻譜分析程序運(yùn)行圖(四)、將聲音信號采集、濾波處理、播放和頻譜分析功能整合到一起前面已經(jīng)完成了(一)實(shí)現(xiàn)聲卡聲音信號的采集并保存、(二)實(shí)現(xiàn)對保存的聲音信息進(jìn)行濾波處理后再播放和進(jìn)行頻譜分析,在(一)和(二)的基礎(chǔ)上就可以輕松地將聲音信號采集、播放和頻譜分析功能整合到一起。只要將(二)前面板的控件直接復(fù)制到(一)的前面板上,再將(二)中的程序框圖設(shè)計(jì)窗口的除最外的層的“While循環(huán)”的其他節(jié)點(diǎn)直接移植到(一)的最外層“While循環(huán)”里,然后將(二)中的路徑控件刪除,將其留下的線頭連接到(一)的路徑控件上就完成了。里信號臓后佶號拔頁團(tuán)呈信號FFT-t厚值\斗相位—F771圖8綜合程序?qū)嶒?yàn)原理圖里信號臓后佶號拔頁團(tuán)呈信號FFT-t厚值\斗相位—F771圖8綜合程序?qū)嶒?yàn)原理圖圖9美化后的程序運(yùn)行圖表(五)實(shí)驗(yàn)分析1、改變采樣模式:連續(xù)有限分別在這2種模式下錄音觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里,并分析為什么答:連續(xù)模式會不斷地對聲音信號進(jìn)行采樣,只能通過按采集停止的按鈕才能停止聲音的采集。在連續(xù)采樣的模式下,可以無限的采集聲音信息,無論聲音信息有多大,都可以被采集下來,而有限采樣就不能,他只能保證一次采樣的時(shí)間在3s左右,而其他的聲音信息都會丟失。這是由于采樣方式的變化,使得采樣的結(jié)果變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像如圖10、11所示:圖10連續(xù)采樣增大每通道采樣數(shù)錄音播放波形圖11有限采樣減小每通道采樣數(shù)錄音播放波形2、(1)增加每通道采樣數(shù)5倍任選一個(gè)倍數(shù)觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里,并分析為什么答:在連續(xù)采樣模式下,改變每通道采樣數(shù),對錄音的結(jié)果沒有太大的影響,因?yàn)檫B續(xù)采樣的時(shí)間太長,使得每通道采樣數(shù)對數(shù)據(jù)采集的影響基本沒有。在有限采樣模式下,當(dāng)把每通道采樣數(shù)增大5倍的時(shí)候,錄音上網(wǎng)質(zhì)量比之前好很多,更加接近原始聲音了,這是由于增加了通道采樣數(shù),增加了采樣頻率和采樣時(shí)間,使得采集到的數(shù)據(jù)更加多,所以錄音質(zhì)量比之前要好。(2)減小每通道采樣數(shù)5倍任選一個(gè)倍數(shù)觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里,并分析為什么答:錄音時(shí)間會變短原理同上,采樣時(shí)間會隨采樣數(shù)減小而變小,而過小的采樣時(shí)間很可能導(dǎo)致錄音的失敗,甚至于聲音的失真。3、對聲音格式項(xiàng)的實(shí)驗(yàn):改變采樣率觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里,并分析為什么答:采樣率增大,會使聲音變得更平更慢更粗,采樣率減小,會使聲音變得更快更尖更細(xì)。因?yàn)椴蓸宇l率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù),如果采樣率變大,采樣的次數(shù)很多,而播放時(shí)的速率始終是一定的,從而每秒播放的聲音信號頻率降低,聲音就會變得又平又粗又慢。同理,當(dāng)采樣率變小時(shí),聲音信號頻率升高,聲音就變得又快又見又細(xì)。實(shí)驗(yàn)過程波形圖如圖12所示:
采樣率6/s)/V■'毎采樣比特?cái)?shù)r采樣率6/s)/V■'毎采樣比特?cái)?shù)r,162050'通道數(shù)聲音信號波形圖12改變采樣率對錄音質(zhì)量的影響波形圖4、觀察濾波前和濾波后的聲音的變化并改變?yōu)V波的上下截止頻率,觀察聲音隨濾波截止頻率變化的情況,并說明為什么會這樣變化。答:濾波前,聲音會有一定的低頻和高頻的雜音,通過濾波可以去除這些雜音,改變上下截止頻率,可以去除不同頻率的雜音。改變低截止頻率,可以去除不同的低頻信號,同理改變高截止頻率,可以去除不同的高頻信號。這樣的變化時(shí)因?yàn)闉V波器能夠讓指定的高低頻率范圍之外對應(yīng)的信號強(qiáng)度為零,從而可以去除雜音信號。圖13圖13濾波前錄音的波形圖圖14濾波后錄音的波形圖五)總結(jié)(一)優(yōu)點(diǎn):能在錄音前對錄音設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并能夠在錄音后,完成播放、頻譜分析、濾波去除噪聲這些一系列的工作。(二)缺點(diǎn)
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